9. Электромагнитные силы

В технике широко применяют устройства, в основе работы которых лежит силовое действие магнитного поля (электродвигатели, реле и контакторы, тяговые и подъемные электромагниты, электроизмерительные приборы и др.).

а) Сила, действующая на проводник с током.

Поместим проводник с током Iв однородное магнитное поле с магнитной индукцией В. Пусть прямолинейный отрезок провода расположен в пространстве между полюсами постоянного магнита или электромагнита так, что между направлениями магнитной индукции и током угол α=90⁰(рис.45).

а б

Рис.45

Сила, действующая на проводник

(4-12)

При других значениях угла α силу определяют по формуле

,(4-13)

где - проекция отрезкана направление, перпендикулярное направлению вектора В.

Направление электромагнитной силы всегда перпендикулярно плоскости, в которой лежат провод и линии магнитной индукции и его удобно определять по правилу левой руки.

Если проводник с током под действием сил поля переместился на расстояние х (рис.46 б), то работа совершаемая полем Так как,BS= Ф, α = 90⁰, то

(4-14)

Таким образом, работа, совершаемая при перемещении проводника с неизменяющимся током в однородном магнитном поле, равна произведению тока на пересеченный проводником магнитный поток.

В неоднородном магнитном поле работа

(4-15)

б) Тяговое усилие электромагнита

Конструкции тяговых электромагнитов разнообразны и определяются их назначением. Но все они имеют намагничивающую обмотку, стальной магнитопровод, состоящий из двух частей - неподвижный и подвижный 2. Подвижная часть магнитопровода (якорь) намагничивается

Рис. 47

в магнитном поле обмотки с током и притягивается к неподвижной части с силой (рис.47)

F=B²S/2μ₀ ,(4-16)

где В- магнитная индукция, S– площадь сечения полюса.

Таким образом, катушка с сердечником, по которой протекает ток, всегда притягивает к себе якорь. Такое устройство называется электромагнитом.

Электромагниты применяют в измерительных приборах, реле, магнитных пускателях, автоматах и др. устройствах. Их широко используют для подъема грузов. Грузоподъемность таких электромагнитов может доходить до нескольких тонн.

Магнитный поток при этом достигает наибольшего значения для данной электромагнитной системы, так как воздушный зазор между сердечником и якорем сокращается, а магнитное сопротивление становится меньшим.

в) Заряженная частица в магнитном поле

Действие магнитного поля на заряженные частицы, движущиеся вне проводника, например в вакууме, широко используется в технике. Примерами могут служит фокусировка и смещение электронного пучка в электроннолучевых трубках телевизоров, осциллографов, электронных микроскопов, в ускорителях и т.д.

Для определения силы, действующей на частицу с зарядом q, движущуюся в однородном магнитном поле перпендикулярно направлению магнитной индукции В, можно

использовать формулу =. Подставим в нееи, тогда получим

=. (4-17)

В данном случае согласно правила левой руки направлена перпендикулярно направлениям магнитной индукции и скорости частицы. Из механики известно, что под действием постоянной по значению силы, направленной перпендикулярно направлению скорости, тело (частица) движется по окружности радиуса=в плоскости, перпендикулярной направлению линий магнитной индукции. Угловая скорость движения (вращения) равна.

Или так.

Электромагнитную силу, действующую на проводник с током ,

можно представить как сумму сил, которые действуют на отдельные электроны, направление движения которых образуют в проводнике ток

(4-18)

где ne=q–количество электричества в единице объема проводника (n=N/V),

объем проводника, в котором заключен зарядq,

S= сечение цилиндрического проводника, аего длина,

=скорость электрона.

Сила, действующая на отдельный электрон , т.е. сила действующая на электрон пропорциональна магнитной индукции и скорости движения частицы.

Направление этой силы определяется по правилу левой руки. Причем четыре вытянутых пальца, должны быть направлены в сторону, противоположную направлению движения электрона.